Hur fungerar en pH-mätare?
Om du använder lackmuspapper spelar inget av detta någon roll. Den grundläggande idén är att pappret får en något annorlunda färg i lösningar mellan pH 1 och 14 och genom att jämföra pappret med en färgskala kan du helt enkelt avläsa surheten eller alkaliniteten utan att behöva bry dig om hur många vätejoner det finns. Men en pH-mätare måste på något sätt mäta koncentrationen av vätejoner. Hur gör den det?
En sur lösning har mycket mer positivt laddade vätejoner än en alkalisk lösning, så den har större potential att producera en elektrisk ström i en viss situation – med andra ord är den lite som ett batteri som kan producera en högre spänning. En pH-mätare utnyttjar detta och fungerar som en voltmeter: den mäter spänningen (den elektriska potentialen) som produceras av lösningen vars surhet vi är intresserade av, jämför den med spänningen i en känd lösning och använder skillnaden i spänning (”potentialskillnaden”) mellan dem för att härleda skillnaden i pH.
Vad består den av?
En typisk pH-mätare har två grundläggande komponenter: själva mätaren, som kan vara en mätare med rörlig spole (en mätare med en visare som rör sig mot en skala) eller en digital mätare (en mätare med en numerisk visning), och antingen en eller två prober som du för in i lösningen som du ska testa. För att få elektricitet att strömma genom något måste du skapa en fullständig elektrisk krets, så för att få elektricitet att strömma genom testlösningen måste du sätta in två elektroder (elektriska terminaler) i den.Om din pH-mätare har två prober (som den på fotot högst upp i den här artikeln) är var och en av dem en separat elektrod. Om du bara har en sond är båda de två elektroderna inbyggda i den för enkelhetens och bekvämlighetens skull.
Elektroderna är inte som vanliga elektroder (enkla bitar av metalltråd); var och en av dem är en mini-kemikalie i sin egen rätt. Den elektrod som gör det viktigaste jobbet, som kallas glaselektroden, har en silverbaserad elektrisk tråd som är upphängd i en lösning av kaliumklorid, som finns inuti en tunn glödlampa (eller membran) gjord av ett specialglas som innehåller metallsalter (vanligen föreningar av natrium och kalcium). Den andra elektroden kallas referenselektrod och har en kaliumkloridtråd upphängd i en kaliumkloridlösning.
Artwork: De viktigaste delarna i en pH-mätare: (1) Lösning som ska testas, (2) Glaselektrod som består av (3) ett tunt skikt av kiselglas som innehåller metallsalter, inuti vilket det finns en kaliumkloridlösning (4) och en inre elektrod (5) tillverkad av silver/silverklorid. (6) Vätejoner som bildas i testlösningen interagerar med glasets yttre yta. (7) Vätejoner som bildas i kaliumkloridlösningen interagerar med glasets inre yta. (8) Mätaren mäter skillnaden i spänning mellan glasets två sidor och omvandlar denna ”potentialskillnad” till en pH-avläsning. (9) Referenselektroden fungerar som en baslinje eller referens för mätningen – eller du kan tänka dig att den helt enkelt sluter kretsen.
Hur fungerar det?
Kaliumkloriden inuti glaselektroden (som här visas färgad orange) är en neutral lösning med ett pH-värde på 7, så den innehåller en viss mängd vätejoner (H+). Anta att den okända lösningen du testar (blå) är mycket surare, så den innehåller mycket mer vätejoner.Glaselektroden mäter skillnaden i pH mellan den orangefärgade lösningen och den blå lösningen genom att mäta skillnaden i de spänningar som deras vätejoner ger upphov till.Eftersom vi känner till pH-värdet för den orangefärgade lösningen (7) kan vi räkna ut pH-värdet för den blå lösningen.
Animation:
Hur fungerar det hela? När du doppar de två elektroderna i den blå testlösningen rör sig en del av vätejonerna mot glaselektrodens yttre yta och ersätter en del av metalljonerna inuti den, medan en del av metalljonerna rör sig från glaselektroden till den blå lösningen. Denna jonbytesprocess kallas jonbyte och är nyckeln till hur en glaselektrod fungerar. Jonbytet sker också på glaselektrodens insida från den orangea lösningen. de två lösningarna på vardera sidan av glaset har olika syrahalt, så en olika mängd jonbyten sker på glasets två sidor. detta skapar en olika grad av vätejonaktivitet på glasets två ytor, vilket innebär att en olika mängd elektrisk laddning byggs upp på dem.Denna laddningsskillnad innebär att en liten spänning (ibland kallad potentialskillnad, vanligtvis några tiotals eller hundratals millivolt) uppstår mellan glasets två sidor, vilket ger upphov till en spänningsskillnad mellan silverelektroden (5) och referenselektroden (8) som visar sig som ett mått på mätaren.
Trots att mätaren mäter spänningen är det som visaren på skalan (eller den digitala displayen) faktiskt visar oss ett pH-mått.Ju större skillnaden i spänning mellan den orange (inuti) och den blå (utanför) lösningen är, desto större är skillnaden i vätejonaktivitet mellan dem.Om det finns mer vätejonaktivitet i den blå lösningen är den surare än den orangefärgade lösningen och mätaren visar detta som ett lägre pH; på samma sätt, om det finns mindre vätejonaktivitet i den blå lösningen visar mätaren detta som ett högre pH (mer alkaliskt).
Genomföra korrekta pH-mätningar
För att pH-mätare ska vara exakta måste de vara korrekt kalibrerade (mätaren översätter spänningsmätningar korrekt till pH-mätningar), så de behöver vanligtvis testas och justeras innan du börjar använda dem. Du kalibrerar en pH-mätare genom att doppa den i buffertar (testlösningar med känt pH) och justera mätaren därefter.En annan viktig aspekt är att pH-mätningar som görs på detta sätt är temperaturberoende. Vissa mätare har inbyggda termometrar och korrigerar automatiskt sina egna pH-mätningar när temperaturen förändras; dessa är bäst om det är troligt att temperaturfluktuationer kommer att inträffa när du gör ett antal olika mätningar. Alternativt kan du korrigera pH-mätningen själv, eller ta hänsyn till det genom att kalibrera instrumentet och göra pH-mätningar vid i stort sett samma temperatur.